Kesan fotovoltaik dan jenisnya

Buat pertama kalinya, kesan fotovoltaik (atau fotovoltaik) yang dipanggil diperhatikan pada tahun 1839 oleh ahli fizik Perancis Alexandre Edmond Becquerel.

Bereksperimen di makmal bapanya, dia mendapati bahawa dengan menerangi plat platinum yang direndam dalam larutan elektrolitik, galvanometer yang disambungkan ke plat menunjukkan kehadiran daya elektromotif… Tidak lama kemudian Edmund yang berusia sembilan belas tahun menemui aplikasi yang berguna untuk penemuannya — dia mencipta aktinograf — peranti untuk merakam keamatan cahaya kejadian.

Hari ini, kesan fotovoltaik merangkumi keseluruhan kumpulan fenomena, dalam satu cara atau yang lain, yang berkaitan dengan penampilan arus elektrik dalam litar tertutup, yang termasuk semikonduktor bercahaya atau sampel dielektrik, atau fenomena EMF pada sampel bercahaya, jika litar luaran terbuka. Dalam kes ini, dua jenis kesan fotovoltaik dibezakan.

Jenis pertama kesan fotovoltaik termasuk: foto-EMF elektrik tinggi, foto-EMF volum, foto-EMF injap, serta kesan fotoepizoelektrik dan kesan Dember.

Kesan fotovoltaik jenis kedua termasuk: kesan pemerangkapan elektron oleh foton, serta kesan fotovoltan permukaan, bulat dan linear.

Kesan jenis pertama dan kedua

Kesan fotovoltaik jenis pertama disebabkan oleh proses di mana kesan cahaya menghasilkan pembawa cas elektrik mudah alih dua aksara — elektron dan lubang, yang membawa kepada pemisahan mereka dalam ruang sampel.

Kemungkinan pemisahan berkaitan dalam kes ini sama ada kepada ketidakhomogenan sampel (permukaannya boleh dianggap sebagai ketidakhomogenan sampel) atau kepada ketidakhomogenan pencahayaan apabila cahaya diserap dekat dengan permukaan atau apabila hanya sebahagian daripada permukaan sampel diterangi , jadi EMF timbul disebabkan oleh peningkatan dalam kelajuan pergerakan haba elektron di bawah pengaruh cahaya yang jatuh ke atasnya.

Kesan fotovoltaik jenis kedua dikaitkan dengan asimetri proses asas pengujaan pembawa cas oleh cahaya, asimetri serakan dan penggabungan semula mereka.

Kesan jenis ini muncul tanpa pembentukan tambahan pasangan pembawa caj bertentangan, ia disebabkan oleh peralihan antara jalur atau boleh dikaitkan dengan pengujaan pembawa caj oleh kekotoran, di samping itu, ia boleh disebabkan oleh penyerapan tenaga cahaya oleh pembawa caj percuma.

Seterusnya, mari kita lihat mekanisme kesan fotovoltaik. Mula-mula kita akan melihat kesan fotovoltaik jenis pertama, kemudian mengalihkan perhatian kita kepada kesan jenis kedua.

Kesan lebih tebal

Kesan Dember boleh berlaku di bawah pencahayaan seragam sampel, hanya kerana perbezaan dalam kadar penggabungan semula permukaan pada sisi bertentangannya. Dengan pencahayaan sampel yang tidak sekata, kesan Dember disebabkan oleh perbezaan dalam pekali resapan (perbezaan dalam mobiliti) elektron dan lubang.

Kesan Dember, yang dimulakan oleh pencahayaan berdenyut, digunakan untuk menjana sinaran dalam julat terahertz. Kesan Dember paling ketara dalam mobiliti elektron tinggi, semikonduktor jurang sempit seperti InSb dan InAs.[banner_adsense]

Foto penghalang-EMF

Pintu atau penghalang foto-EMF terhasil daripada pemisahan elektron dan lubang oleh medan elektrik daripada penghalang Schottky dalam kes hubungan logam semikonduktor, serta medan p-n-simpang atau heterojunction.

Arus di sini dibentuk oleh pergerakan kedua-dua pembawa cas yang dijana secara langsung di kawasan persimpangan pn, dan pembawa yang teruja di kawasan berhampiran elektrod dan mencapai kawasan medan kuat melalui penyebaran.

Pemisahan pasangan menggalakkan pembentukan aliran lubang di rantau p dan aliran elektron di kawasan n. Jika litar terbuka, maka EMF bertindak ke arah terus untuk persimpangan p-n, jadi tindakannya mengimbangi fenomena asal.

Kesan ini adalah asas berfungsi sel suria dan pengesan sinaran yang sangat sensitif dengan tindak balas yang rendah.

Foto volumetrik-EMF

Foto-EMF pukal, seperti namanya, timbul akibat pemisahan pasangan pembawa cas dalam sebahagian besar sampel pada ketidakhomogenan yang berkaitan dengan perubahan dalam kepekatan dopan atau dengan perubahan dalam komposisi kimia (jika semikonduktor adalah sebatian).

Di sini, sebab pemisahan pasangan adalah apa yang dipanggil Medan elektrik kaunter yang dicipta oleh perubahan dalam kedudukan aras Fermi, yang seterusnya bergantung kepada kepekatan kekotoran. Atau, jika kita bercakap tentang semikonduktor dengan komposisi kimia yang kompleks, pemisahan pasangan terhasil daripada perubahan dalam lebar jalur.

Fenomena kemunculan fotoelektrik pukal adalah terpakai kepada penyiasatan semikonduktor untuk menentukan tahap kehomogenan mereka. Rintangan sampel juga berkaitan dengan ketidakhomogenan.

Voltan tinggi foto-EMF

Foto-EMF tidak normal (voltan tinggi) berlaku apabila pencahayaan tidak seragam menyebabkan medan elektrik diarahkan di sepanjang permukaan sampel. Magnitud EMF yang terhasil akan berkadar dengan panjang kawasan yang diterangi dan mungkin mencapai 1000 volt atau lebih.

Mekanisme ini boleh disebabkan sama ada oleh kesan Dember, jika arus resap mempunyai komponen terarah permukaan, atau oleh pembentukan struktur p-n-p-n-p yang menonjol ke permukaan. EMF voltan tinggi yang terhasil ialah jumlah EMF bagi setiap pasangan simpang n-p dan p-n asimetri.

Kesan fotoepizoelektrik

Kesan fotoepizoelektrik ialah fenomena kemunculan arus foto atau fotoemf semasa ubah bentuk sampel. Salah satu mekanismenya ialah penampilan EMF pukal semasa ubah bentuk tidak homogen, yang membawa kepada perubahan dalam parameter semikonduktor.

Mekanisme lain untuk penampilan EMF fotoepisoelektrik ialah EMF Dember melintang, yang berlaku di bawah ubah bentuk uniaksial, yang menyebabkan anisotropi pekali resapan pembawa cas.

Mekanisme terakhir ini paling berkesan dalam ubah bentuk semikonduktor multivalley, yang membawa kepada pengagihan semula pembawa antara lembah.

Kami telah melihat semua kesan fotovoltaik jenis pertama, kemudian kami akan melihat kesan yang dikaitkan dengan jenis kedua.

Kesan tarikan elektron oleh foton

Kesan ini berkaitan dengan asimetri dalam pengagihan fotoelektron ke atas momentum yang diperoleh daripada foton. Dalam struktur dua dimensi dengan peralihan jalur mini optik, arus foto gelongsor terutamanya disebabkan oleh peralihan elektron dengan arah momentum tertentu dan boleh melebihi arus yang sepadan dalam kristal pukal dengan ketara.

Kesan fotovoltan linear

Kesan ini disebabkan oleh taburan asimetri fotoelektron dalam sampel. Di sini, asimetri dibentuk oleh dua mekanisme, yang pertama adalah balistik, berkaitan dengan arah nadi semasa peralihan kuantum, dan yang kedua ialah ricih, disebabkan oleh peralihan pusat graviti paket gelombang elektron semasa peralihan kuantum.

Kesan fotovoltaik linear tidak berkaitan dengan pemindahan momentum daripada foton kepada elektron, oleh itu, dengan polarisasi linear tetap, ia tidak berubah apabila arah perambatan cahaya diterbalikkan. Proses penyerapan dan penyerakan dan penggabungan cahaya menyumbang kepada semasa (sumbangan ini diberi pampasan pada keseimbangan terma).

Kesan ini, digunakan pada dielektrik, memungkinkan untuk menggunakan mekanisme memori optik, kerana ia membawa kepada perubahan dalam indeks biasan, yang bergantung pada keamatan cahaya, dan berterusan walaupun selepas ia dimatikan.

Kesan fotovoltaik bulat

Kesannya berlaku apabila diterangi oleh cahaya terkutub elips atau bulat daripada kristal girotropik. EMF membalikkan tanda apabila polarisasi berubah. Sebab untuk kesannya terletak pada hubungan antara putaran dan momentum elektron, yang wujud dalam kristal girotropik. Apabila elektron teruja oleh cahaya terkutub bulat, putaran mereka berorientasikan optik, dan dengan itu denyut arus arah berlaku.

?

Kehadiran kesan bertentangan dinyatakan dalam penampilan aktiviti optik di bawah tindakan arus: arus yang dihantar menyebabkan orientasi putaran dalam kristal girotropik.

Tiga kesan terakhir berfungsi dalam penerima inersia. sinaran laser.

Kesan fotovoltaik permukaan

Kesan fotovoltaik permukaan berlaku apabila cahaya dipantulkan atau diserap oleh pembawa cas bebas dalam logam dan semikonduktor disebabkan oleh pemindahan momentum daripada foton kepada elektron semasa kejadian serong cahaya dan juga semasa kejadian biasa jika normal ke permukaan hablur berbeza dalam arah dari salah satu paksi kristal utama.

Kesannya terdiri daripada fenomena taburan pembawa cas terangsang pada permukaan sampel. Dalam kes penyerapan antara jalur, ia berlaku di bawah keadaan bahawa sebahagian besar daripada pembawa teruja mencapai permukaan tanpa berselerak.

Jadi apabila elektron dipantulkan dari permukaan, arus balistik terbentuk, diarahkan berserenjang dengan permukaan. Jika, semasa pengujaan, elektron menyusun dirinya dalam inersia, arus yang diarahkan sepanjang permukaan mungkin muncul.

Keadaan untuk berlakunya kesan ini ialah perbezaan tanda komponen bukan sifar nilai purata momentum "ke arah permukaan" dan "dari permukaan" untuk elektron yang bergerak di sepanjang permukaan. Keadaan ini dipenuhi, sebagai contoh, dalam kristal padu, apabila pengujaan pembawa cas dari jalur valens yang merosot ke jalur pengaliran.

Dalam penyerakan meresap oleh permukaan, elektron yang mencapainya kehilangan komponen momentum di sepanjang permukaan, manakala elektron bergerak menjauhi permukaan mengekalkannya. Ini membawa kepada kemunculan arus di permukaan.